Análise do custo-benefício de sistemas de cobertas em edificações comerciais para o clima de Natal/RN visando eficiência energética

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA

DEDARTAMENTO DE ARQUITETURA E URBANISMO

DROGRAMA DE DÓS-GRADUAÇÃO EM ARQUITETURA E URBANISMO

SILVANA ROSADO NEGREIROS GADELHA SIMAS

ANÁLISE DE CUSTO-BENEFÍCIO DE SISTEMAS DE COBERTAS EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS DARA O CLIMA DE NATAL/RN VISANDO EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

SILVANA ROSADO NEGREIROS GADELHA SIMAS

ANÁLISE DE CUSTO-BENEFÍCIO DE SISTEMAS DE COBERTAS EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS DARA O CLIMA DE NATAL/RN VISANDO EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, como requisito à obtenção do título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.

Orientador: Aldomar Pedrini, Ph.D.

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Setorial de Arquitetura

Simas, Silvana Rosado Negreiros Gadelha.

Análise do custo-benefício de sistemas de cobertas em edificações comerciais para o clima de Natal/RN visando eficiência energética/ Silvana Rosado Negreiros Gadelha Simas. – Natal, RN, 2008.

150 f.: il.

Orientador: Aldomar Pedrini.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Arquitetura.

1. Edificações comerciais – Monografia. 2. Sistema de cobertas – Monografia. 3. Custo-benefício – Monografia. 4. Eficiência energética – Monografia. I. Pedrini, Aldomar. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

RESUMO

Esta pesquisa aborda a influência de diversos tipos de sistemas construtivos de cobertas no desempenho energético e na relação custo-benefício de edificações do tipo comercial para as condições climáticas da cidade do Natal/RN. O objetivo geral da pesquisa é analisar a relação custo-beneficio de sistemas construtivos de cobertas disponíveis no mercado, levando-se em consideração o desempenho energético de edificações comerciais climatizadas artificialmente, visando o seu uso por projetistas e que seja adequado às condições climáticas da cidade de Natal/RN. O método de avaliação do custo-benefício de sistemas de coberta consiste de seis etapas: caracterização e simulação da edificação de referência; análise de sensitividade; levantamento, caracterização e simulação de alternativas de sistemas construtivos de cobertas; quantificação dos custos de implantação; quantificação dos benefícios das alternativas em relação ao caso base; e análise das relações de custo-benefício. O modelo escolhido como referência corresponde a lojas com sistema de galpão pré-moldado, e sistema de coberta com fibrocimento e forro. Seu comportamento térmico demonstrou a influência do sistema de coberta no desempenho energético da edificação. Os resultados das simulações das alternativas demonstraram que a absortância é a variável que apresenta a melhor relação custo-benefício, enquanto que a redução da transmitância térmica ainda apresenta limitações devido ao custo.

ABSTRACT

This research consists in studying the influence of the various type of construction systems of roofs with their energy efficiency as well as on the cost benefit for the commercial buildings on the temperatures condition of the city of Natal/RN. The main goal of this research is to analyze the cost benefit of the construction systems of roofs available on the market, taking into consideration the energy efficiency of the commercial buildings artificially air conditioned in order to be used by the projectors and to be adequated to the temperatures condition of the city of Natal/RN. The method of valuation of the cost benefit of roof systems consists in six steps: Features and simulation of the reference building; Analyze of sensitivity; Analyzes, features and simulation of alternatives of roof construction systems; Analyze of the cost of implementation; Analyze of the benefits of the alternatives comparing to the base case; And finally the analyze of the cost benefit. The model type chosen as reference was stores with pre molded buildings and system of roof with fiber ciment and ceiling . The thermal results showed the influence of the roof system on the energy efficiency of the building. The Final results of the simulations of the alternatives comes to a conclusion that the absortance is the variable that presents the best cost benefit relation and the reduction on the thermal transmittance still has limitations because of the high cost.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2 - 1. RELAÇÃO ABSORTÂNCIA DA COBERTA X CONSUMO ENERGÉTICO .... 21

FIGURA 2 - 2. MAPA DE ZONEAMENTO CLIMÁTICO PROPOSTO PARA OS ESTADOS UNIDOS ... 30

FIGURA 2 - 3. MAPA DE ZONEAMENTO CLIMÁTICO BRASILEIRO ... 31

FIGURA 3 - 4. FOTOS DE EDIFICAÇÕES DO TIPO ESCOLHIDO NA CIDADE DE NATAL/RN. ... 36

FIGURA 3 - 5. FOTOS DE EDIFICAÇÕES DO TIPO ESCOLHIDO NA CIDADE DE NATAL/RN (CONTINUAÇÃO). ... 37

FIGURA 3 - 6. FACHADAS FRONTAL (SUL) E LATERAL (OESTE), E FACHADAS LATERAL (LESTE) E POSTERIOR (NORTE), ... 38

FIGURA 3 - 7. LOCALIZAÇÃO DE NATAL-RN. ... 43

FIGURA 3 - 8. DIAGRAMA SOLAR PARA NATAL/RN ... 43

FIGURA 3 - 9. RADIAÇÃO SOLAR ESTIMADA DO ARQUIVO TRY. ... 44

FIGURA 3 - 10. ALTERNATIVA COM COBERTA INCLINADA. ... 49

FIGURA 4 - 11. CONSUMO TOTAL DE ENERGIA POR ÁREA PARA ANÁLISE DE SENTIVIDADE. ... 58

FIGURA 4 - 12. CONSUMO TOTAL DE ENERGIA POR ÁREA PARA ANÁLISE DE SENSITIVIDADE, DESTACANDO A INFLUÊNCIA DA ABSORTÂNCIA. ... 59

FIGURA 4 - 13. CONSUMO TOTAL DE ENERGIA COMO FUNÇÃO DO FATOR SOLAR. . . 60

FIGURA 4 - 15. TEMPERATURAS DO ÁTICO. ... 62

FIGURA 4 - 16. GANHOS INTERNOS EM DOMINGOS E FERIADOS DA LOJA 1. ... 62

FIGURA 4 - 17. GANHOS INTERNOS DIAS ÚTEIS DA LOJA 1. ... 63

FIGURA 4 - 18. GANHOS INTERNOS PARA SÁBADOS DA LOJA 1. ... 64

FIGURA 4 - 19. GANHOS INTERNOS DIAS ÚTEIS DA LOJA 1. ... 64

FIGURA 4 - 20. GANHOS INTERNOS PARA SÁBADOS DA LOJA 1. ... 65

FIGURA 4 - 21. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA HORÁRIA POR USO FINAL (EXEMPLO: 1º SEMANA DE JANEIRO). ... 66

FIGURA 4 - 22. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA HORÁRIA POR USO FINAL (EXEMPLO: 1º SEMANA DE JULHO). ... 66

FIGURA 4 - 23. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA MENSAL POR USO FINAL. ... 67

FIGURA 4 - 24. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA ANUAL POR USO FINAL. ... 67

FIGURA 4 - 25. CARGAS TÉRMICAS HORÁRIAS, PARA A PRIMEIRA SEMANA DE JANEIRO. ... 68

FIGURA 4 - 26. CARGAS TÉRMICAS HORÁRIAS, PARA A PRIMEIRA SEMANA DE JULHO. ... 68

FIGURA 4 - 27. CARGAS TÉRMICAS DE ENVOLTÓRIA INTERNAMENTE, PARA O DIA 2 DE JANEIRO. ... 69

FIGURA 4 - 28. CARGAS TÉRMICAS DE ENVOLTÓRIA INTERNAMENTE, PARA O DIA 1 DE JULHO. ... 70

FIGURA 4 - 29. PRINCIPAIS CARGAS TÉRMICAS DE RESFRIAMENTO. ... 70

FIGURA 4 - 31. CONSUMO TOTAL ANUAL POR ÁREA E CAPACIDADE DE

RESFRIAMENTO INSTALADA. ... 73

FIGURA 4 - 32. DIFERENÇAS DE CONSUMO MENSAL QUANTO À LOCALIZAÇÃO DAS BARREIRAS RADIANTES ... 77

FIGURA 4 - 33. DIFERENÇAS DE CONSUMO MENSAL QUANTO AO TIPO E

LOCALIZAÇÃO DO ISOLANTE TÉRMICO ... 78

FIGURA 4 - 34. DIFERENÇA DE CONSUMO COM RELAÇÃO AOS MESES DO ANO ... 79

LISTA DE TABELAS

TABELA 3 - 1. – REFLETÂNCIA DE SUPERFÍCIES MAIS COMUNS. ... 39

TABELA 3 - 2. RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO CASO BASE ... 39

TABELA 3 - 3. CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAÇÃO DE CONDICIONADORES DE AR SPLIT ... 40

TABELA 3 - 4. DENSIDADES DE OCUPAÇÃO DOS AMBIENTES. ... 41

TABELA 3 - 5. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL

ADOTADO NOS MODELOS ... 41

TABELA 3 - 6. CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS DO AMBIENTE DE VENDAS (ÁREA DE 96,95 M2). ... 42

TABELA 3 - 7. CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS DO AMBIENTE DE

ESCRITÓRIO (ÁREA DE 24,24 M2). ... 42

TABELA 3 - 8. ABSORTÂNCIA (Α) PARA RADIAÇÃO SOLAR (ONDAS CURTAS) E

EMISSIVIDADE (Ε) PARA RADIAÇÕES A TEMPERATURAS ... 46

TABELA 3 - 9. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM TELHA ONDULADA DE FIBROCIMENTO CLARA, E= 8MM: U=2,0 (W/(M2.K) E Α=0,20 ... 46

TABELA 3 - 10. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM TELHA METÁLICA

ONDULADA E=0,65MM: U=1,1 W/(M2.K) E Α=0,25 ... 47

TABELA 3 - 11. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM TELHA ONDULINE COM FIBRA VEGETAL E=8MM: U=2,0 W/(M2.K) E Α=0,74 ... 48

TABELA 3 - 12. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM TELHA METÁLICA

TABELA 3 - 13. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DE AUMENTO NA

INCLINAÇÃO DO TELHADO PARA 35%. ... 48

TABELA 3 - 14. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DE BARREIRA RADIANTE JUNTO À TELHA: U=1,1 W/(M2.K) E Α=0,60 ... 49

TABELA 3 - 15. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DA BARREIRA RADIANTE JUNTO AO FORRO: U=1,1W/(M2.K) E Α=0,60 ... 50

TABELA 3 - 16. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DO ISOLANTE TÉRMICO JUNTO AO FORRO: U=0,70W/(M2.K) E Α=0,60 ... 51

TABELA 3 - 17. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DO ISOLANTE TÉRMICO JUNTO À TELHA: U=0,7 W/(M2.K) E Α=0,60 ... 51

TABELA 3 - 18. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DA TELHA SANDUÍCHE DE POLIESTIRENO EXPANDIDO U=0,6 W/(M2.K) E Α=0,25 ... 52

TABELA 3 - 19. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DA TELHA SANDUÍCHE COM POLIURETANO EXPANDIDO U=0,5 W/(M2.K) E Α=0,25 ... 52

TABELA 3 - 20. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DE TELHA SANDUÍCHE DE POLIESTIRENO EXPANDIDO SEM FORRO U=0,9 W/(M2.K) E Α= 0,25 ... 53

TABELA 3 - 21. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA DA TELHA SANDUÍCHE DE POLIURETANO EXPANDIDO SEM FORRO U=0,8 W/(M2.K) E Α=0,25 ... 53

TABELA 3 - 22. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM FORRO DE MADEIRA U=2,0 W/(M2.K) E Α=0,60 ... 54

TABELA 3 - 23. CARACTERÍSTICAS DA ALTERNATIVA COM FORRO DE PVC U=1,7 W/ (M2.K), Α= 0,60 ... 54

TABELA 4 - 24. CONSUMO TOTAL DE ENERGIA POR ÁREA PARA ANÁLISE DE

SENTIVIDADE (KWH/M²). ... 58

TABELA 4 - 26. RESUMO DO CASO BASE E ALTERNATIVAS ANALISADAS. ... 74

TABELA 4 - 27. CONSUMO TOTAL DE ENERGIA DAS ALTERNATIVAS E ENERGIA ECONOMIZADA. ... 75

TABELA 4 - 28. CAPACIDADE DE RESFRIAMENTO INSTALADA E DIFERENÇA DE CUSTO DE AQUISIÇÃO DOS SISTEMAS DE CONDICIONADORES DE AR DAS ALTERNATIVAS EM RELAÇÃO AO CASO BASE ... 76

TABELA 4 - 29. CUSTO E VIDA ÚTIL DE MATERIAIS ... 80

TABELA 4 - 30. COMPOSIÇÃO DE PREÇO DO CASO BASE ... 83

TABELA 4 - 31. COMPOSIÇÃO DE PREÇO DA ALTERNATIVA DE TELHA DE FIBROCIMENTO E=8MM BRANCA COM FORRO DE GESSO ... 83

TABELA 4 - 32. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS USANDO A TELHA METÁLICA ONDULADA E=0,65MM ... 84

TABELA 4 - 33. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS USANDO A TELHA ONDULINE E=8MM ... 85

TABELA 4 - 34. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS USANDO A TELHA METÁLICA ONDULADA BRANCA E=0,65MM ... 86

TABELA 4 - 35. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS MODIFICANDO A INCLINAÇÃO DO TELHADO ... 86

TABELA 4 - 36. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS UTILIZANDO A BARREIRA RADIANTE ... 87

TABELA 4 - 37. COMPOSIÇÃO DE PREÇO UTILIZANDO ISOLANTE TÉRMICO ... 87

TABELA 4 - 38. COMPOSIÇÃO DE PREÇO UTILIZANDO TELHA SANDUICHE ... 88

TABELA 4 - 39. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS DA TELHA SANDUÍCHE SEM FORRO ... 89

TABELA 4 - 40. COMPOSIÇÃO DE PREÇOS UTILIZANDO O FORRO DE PVC ... 89

TABELA 4 - 42. COMPOSIÇÃO DOS CUSTOS DA ENERGIA COBRADA PELA COSERN . . 91

TABELA 4 - 43. RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO – CASO BASE X ALTERNATIVAS ... 93

TABELA 4 - 44. RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO – CASO BASE X ALTERNATIVAS – CATEGORIA 1 ... 94

TABELA 4 - 45. RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO – CASO BASE X ALTERNATIVAS – CATEGORIA 2 ... 95

TABELA 4 - 46. RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO – CASO BASE X ALTERNATIVAS – CATEGORIA 3 ... 96

TABELA 4 - 47. RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO – CASO BASE X ALTERNATIVAS ... 97

TABELA 4 - 48. DESEMPENHO ENERGÉTICO X RELAÇÃO CUSTO-BENEFICIO ... 97

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18

2.1 USO DE ENERGIA EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS ... 18

2.2 INFLUÊNCIA DA COBERTA NO CONSUMO DE ENERGIA DE EDIFICAÇÕES ... 18

2.3 MÉTODOS DE QUANTIFICAÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE COBERTURAS ... 23

2.4 ANÁLISEDECUSTOXBENEFÍCIO ... 25

GUIAAVANÇADODEPROJETOPARAOUSOEFICIENTEDEENERGIAEMPEQUENOSESCRITÓRIOS (ADVANCED ENERGY

DESIGN GUIDEFOR SMALL OFFICE BUILDINGS), ASHRAE (2004A)________________________________31

NBR-15220-3: ZONEAMENTO BIOCLIMÁTICO BRASILEIROE DIRETRIZESCONSTRUTIVASPARA HABITAÇÕES

UNIFAMILIARESDEINTERESSESOCIAL_______________________________________________________31

NBR-6401 – INSTALAÇÕESCENTRAISDECONDICIONADORDEARPARACONFORTO – PARÂMETROSBÁSICOSDE

PROJETO 32

REGULAMENTAÇÃOPARAETIQUETAGEMVOLUNTÁRIADENÍVELDEEFICIÊNCIAENERGÉTICADEEDIFÍCIOSCOMERCIAIS, DESERVIÇOSEPÚBLICOS (ELETROBRÁS/PROCEL 2008)_______________________________________33

3 METODOLOGIA ... 34

3.1 SIMULAÇÕES ... 35

3.2 CARACTERIZAÇÃO DA EDIFICAÇÃO DE REFERÊNCIA ... 35

ENVOLTÓRIA_______________________________________________________________________37 CARACTERIZAÇÃODOSPADRÕESDEUSODAEDIFICAÇÃO__________________________________________39 CONDICIONADORDEARECONTROLEAMBIENTAL_______________________________________________40 OCUPAÇÃO (M2) ECALORLIBERADOPORPESSOAS(KCAL/H)________________________________________40 INFILTRAÇÃOERENOVAÇÃODEAR_________________________________________________________41 ILUMINAÇÃO________________________________________________________________________41 EQUIPAMENTOS______________________________________________________________________42 DADOS CLIMÁTICOS__________________________________________________________________43 3.3 ANÁLISEDESENSITIVIDADE ... 44

3.4 CARACTERIZAÇÃO DAS ALTERNATIVAS ... 45

3.5 CUSTOS ... 55

3.6 BENEFÍCIOS ... 56

3.7 CUSTO X BENEFÍCIO ... 56

4 RESULTADOS E ANÁLISES ... 58

4.1 ANÁLISE DE SENSITIVIDADE ... 58

4.2 CASOBASE ... 60

DESEMPENHOENERGÉTICO______________________________________________________________65 CARGASTÉRMICAS ___________________________________________________________________67 4.3 ALTERNATIVAS ... 71

CONSUMOTOTALANUALPORÁREA________________________________________________________74

CAPACIDADEDERESFRIAMENTOINSTALADA___________________________________________________76

ISOLANTETÉRMICO___________________________________________________________________77

DIFERENÇADECONSUMOEMRELAÇÃOAOSMESESDOANO________________________________________78

4.4 ANÁLISE DE SENSITIVIDADE X SIMULAÇÕES DAS ALTERNATIVAS ... 79

4.5 CUSTO ... 80

CÁLCULODOSCUSTOSDOCASOBASEEALTERNATIVAS___________________________________________81 4.6 CUSTO X BENEFÍCIO ... 90

CATEGORIA 1_______________________________________________________________________93 CATEGORIA 2_______________________________________________________________________95 CATEGORIA 3_______________________________________________________________________95 CATEGORIA 4_______________________________________________________________________96 5 CONCLUSÕES ... 98

5.1 LIMITAÇÕES DO TRABALHO ... 99

5.2 CONSIDERAÇÕESPARA TRABALHOS FUTUROS ... 99

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 101

7 APÊNDICES ... 105

7.1 APÊNDICE 1. DEMONSTRATIVOS DE CÁLCULO DO CUSTO-BENEFÍCIO. ... 106

Introdução______________________________________________________________________

1 INTRODUÇÃO

Esta pesquisa aborda a influência de diversos tipos de sistemas construtivos de cobertas no desempenho energético e na relação custo-benefício de edificações do tipo comercial para as condições climáticas da cidade do Natal/RN. Seu objetivo é analisar a relação custo-beneficio de sistemas construtivos de cobertas disponíveis no mercado, levando-se em consideração o desempenho energético de edificações comerciais climatizadas artificialmente, visando o seu uso por projetistas e que seja adequado às condições climáticas da cidade de Natal/RN.

A importância do estudo de cobertas em Natal está relacionada com as cargas térmicas de resfriamento que devem ser removidas pelo sistema de condicionamento de ar ou pela ventilação. Comparada à radiação solar incidente nas fachadas verticais, frequentemente a radiação incidente no plano horizontal é o dobro da incidente nas fachadas Leste e Oeste, podendo atingir quatro vezes o valor da incidente no Norte e no Sul, segundo avaliação do arquivo climático TRY 1 _{de Natal.}

A redução da carga térmica proveniente da coberta pode ser obtida de diversas formas, entretanto sua viabilização depende dos custos envolvidos e dos benefícios proporcionados. Por um lado, a redução das cargas térmicas da coberta pode reduzir a capacidade de resfriamento instalada e o uso do condicionador de ar, implicando em menores custos de aquisição, instalação, manutenção e principalmente operação (redução do consumo de energia elétrica), resultando num menor impacto ambiental. Entretanto, a redução das cargas térmicas indesejáveis podem implicar em sistemas construtivos mais caros do que os convencionais devido à aplicação de isolantes térmicos, superfícies refletivas, ou barreiras radiantes. Enquanto não se estabelece critérios locais para os benefícios ambientais voltados para a sustentabilidade, a relação financeira de custo-benefício pode ser um argumento para estimular o uso de cobertas com melhor desempenho térmico.

A importância da coberta se destaca em diversas medidas de eficientização do uso de energia elétrica em edificações no Brasil e no mundo. Segundo Lamberts (1997b), dados de 1992 indicam que 42% da energia elétrica gasta no Brasil é proveniente do consumo em edificações, sendo 23% residenciais, 11% comerciais e 8% públicas. A adequação arquitetônica da edificação ao clima, conforme dados do Balanço Energético Nacional (BEN) apud Maciel (2002), é a maneira mais econômica de se investir em eficiência energética, sendo responsável por 5% no custo total e capaz de produzir economias de até 23%.

1 _{Test Reference Year (TRY) é o ano climático típico para avaliação de desempenho energético de}

edificações, obtido por GOULART et al (1998).

Introdução______________________________________________________________________

Segundo Signor (1999), estima-se que edifícios com projetos adequados possam consumir em torno de 30% menos de energia do que outros que ofereçam níveis de conforto e utilização similares. De acordo com Pedrini (2003), o impacto sobre o consumo de energia em edificações comerciais climatizadas artificialmente pode ser maior, atingindo cerca de 70% de economia.

A decisão do tipo de coberta pode ocorrer em diversos momentos do processo arquitetônico e por isso é importante que o projetista tenha consciência do seu impacto no desempenho energético da edificação, assim como a relação entre esse benefício e o aumento do custo (comparado com o sistema convencional).

Além de identificar os procedimentos de análise da relação custo - beneficio de sistemas construtivos de cobertas disponíveis no mercado, este trabalho apresenta os seguintes objetivos específicos:

 identificar tipologia dominante para edifícios comerciais por meio do levantamento de sistemas construtivos mais comuns da região e outros com potencial de implantação;

 caracterizar termicamente materiais existentes no mercado da construção civil;

 realizar um estudo comparativo dos sistemas de cobertas escolhidos por meio da simulação térmica e energética por meio de um programa computacional;

 avaliar a influência da coberta no consumo energético e no desempenho térmico de soluções arquitetônicas;

 obter a relação custo-benefício das alternativas de sistemas de cobertas em relação a um edifício com coberta convencional.

A pesquisa se inicia com a revisão bibliográfica que destaca a importância da coberta no desempenho energético de edificações, as diversas formas de avaliar seu impacto e suas características térmicas, como transmitância, absortância e emissividade. Descrevem-se os métodos de quantificação e avaliação de deDescrevem-sempenho de cobertas, dando-Descrevem-se ênfaDescrevem-se às simulações computacionais, ferramenta escolhida para desenvolvimento deste trabalho. Também são apresentadas normas e prescrições projetuais, com destaques às recomendações de cobertas para o clima de Natal. Como critério de análise e classificação de desempenho de cobertas, é adotada a relação custo-benefício, comumente empregada em estudos de viabilização do Procel e de concessionárias de energia.

O capitulo 3 descreve o método, iniciando-se com caracterização de um modelo de edificação predominantemente horizontal, denominado caso base, sendo este a referência de comparação para as análises de outros sistemas de cobertas, denominados alternativas.

Introdução______________________________________________________________________

O caso base e todos os demais modelos são simulados no programa computacional

Designbuilder, que é uma interface gráfica do EnergyPlus. Em seguida, são criadas variações do caso base a partir de diferentes combinações de transmitância térmica e absortância, que são as duas variáveis mais influentes no desempenho segundo a literatura. O objetivo é identificar a faixa de variação do consumo de energia que pode ser obtida com variações do sistema de coberta, para comparar com os desempenhos das alternativas. As alternativas de sistemas de coberta são criadas a partir de informações obtidas em lojas de construção civil, sítios eletrônicos, consulta a profissionais e trabalhos científicos apresentados na revisão bibliográfica. A caracterização considera o custo de implantação e as características para modelá-los no DesignBuilder. Os resultados das simulações das alternativas são empregadas no cálculo dos benefícios em relação ao caso base (relação custo-beneficio ou RCB).

No capitulo 4 são apresentados os resultados das simulações, as análises e considerações.

No capítulo 5 são apresentadas as principais conclusões.

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográfica se inicia com um breve resumo sobre o uso da energia em edificações comerciais, enfatizando resultados de trabalhos realizados no Brasil sob o enfoque da eficiência energética. Em seguida, destaca-se o impacto das propriedades térmicas de sistemas de cobertas no desempenho energético, como transmitância, absortância e emissividade. São selecionadas referências com base em experimentação, simulação computacional e análises econômicas da relação custo-benefício.

2.1

U

Segundo Lamberts (2004), do total da produção nacional de energia elétrica, 19% são usados para edifícios comerciais e públicos: observando que iluminação e condicionamento de ar são os grandes usos finais da energia nesse setor.

Em Florianópolis, Toledo (1995) descreve uma amostra com média de 120 kWh/m² de consumo de energia ao ano, onde o condicionador de ar representa 50% deste valor no verão, chegando a 70% para edifícios envidraçados. A ordem de grandeza dessas medições e estimativas de campo são compatíveis com as simulações de Signor (1999) para Natal-RN, onde o consumo anual de energia varia entre 58 kWh.ano/m² e 265 kWh.ano/m², dependendo das características da edificação, dos ocupantes e dos equipamentos usados para climatização.

Similar variação é encontrada em edificação do setor hoteleiro em Natal. Lima (2006) descreve uma amostra de hotéis onde o consumo anual de energia varia entre 43 e 222 kWh.ano/m². Sua estimativa de uso final de energia é de 75% para condicionador de ar, 17% para equipamentos e 8% para iluminação.

2.2

I

A coberta absorve parte da radiação solar. Uma fração da energia absorvida é transmitida por condução para o ático, outra parte é perdida para o ar externo por meio de convecção e por irradiação. Portanto, o desempenho da coberta pode ser influenciada por suas propriedades térmicas superficiais e internas, conforme os artigos selecionados a seguir.

O impacto do albedo ou da capacidade do material refletir a radiação solar é destacado em diversos artigos. Parker (1997) demonstrou que o uso da cobertura refletiva na Flórida representa uma opção atrativa para redução do consumo de energia de climatização, proporcionando de 2 a 43% de economia. Foram modificados os albedos de

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

nove casas monitoradas na Flórida entre 1991 e 1994. Este trabalho mostra que a economia da energia do resfriamento depende do nível de isolamento do forro e da refletância solar da cobertura, da localização do sistema de dutos de ar e do tamanho do condicionador de ar utilizado.

Simpson et al.(1997) avaliaram os efeitos da modificação do albedo da cobertura de protótipos com ¼ do tamanho real de uma construção, em Tucson no Arizona, por meio de medições no verão de 1990. Simulações computacionais também foram utilizadas para confirmar a economia de energia em construções de tamanhos reais. Coberturas brancas (0,75 – albedo; 0,98 - emissividade) foram até 20% mais frias do que as cinzas (0,30 – albedo; 0,94 - emissividade) ou prata (0,50 – albedo; 0,70 - emissividade) e até 30% mais frias do que as coberturas marrons (0,10 – albedo) no verão. Mesmo que a cobertura prata tenha sido mais refletiva que a cinza, suas temperaturas foram similares, indicando que houve uma compensação da diferença do albedo por meio do decréscimo da emissividade no caso da cobertura prata. Assim, o aumento do albedo de uma superfície pode não ser suficiente na redução do ganho térmico se a emissividade é reduzida simultaneamente.

Akbari (1999) avaliou a influência de coberturas refletivas e seus efeitos no consumo de energia de climatização, para construções comerciais e residenciais em 11 áreas dos Estados Unidos consideradas como áreas metropolitanas consolidadas. Os dados foram simulados no programa DOE-2 e os resultados comparados por meio da economia de energia gerada entre as diferenças nos modelos. A ênfase desse trabalho foi no uso da simulação computacional como método de obtenção de estimativas de consumo de energia das edificações estudadas. Os resultados obtidos levaram à conclusão de uma economia de energia da ordem de 2,6 TWh para as 11 metrópoles americanas analisadas, representando 194 milhões de dólares de economia anual. Extrapolando este valor para todos os Estados Unidos, esta economia anual atinge em torno de 10TWh e um valor monetário de 750 milhões de dólares em custo anual com energia.

Signor (1999) realizou simulações computacionais para obtenção dos consumos energéticos de edificações com diferentes características construtivas, de ocupação e de cargas internas para várias capitais brasileiras, inclusive Natal-RN. Foram analisadas transmitância térmica, absortância, relação de áreas de coberta e área total, área de fachadas, densidade de cargas térmicas, dentre outros. Desenvolveu-se uma biblioteca de materiais e procedimentos construtivos nacionais para se adequar o programa de simulação aos padrões da construção civil brasileira. Os resultados encontrados para Natal foram:

o variando-se os valores da absortância da coberta de 0,30 para 0,70 e

permanecendo-se as outras características da edificação inalteradas, o

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

consumo de energia aumenta 1,2% para a menor área de cobertura e 11,6%, para a maior área de cobertura analisada.

o a variação de transmitância térmica da coberta de 0,95 W/(m2.K) para 4,54 W/

(m2_{.K) resultou no aumento de 1,8% do consumo de energia para a menor} área de cobertura e 23,4% no caso de maior área de cobertura analisada;

o _{a influência relativa das características da coberta independe da relação de}

área de fachada por área construída nos casos de maior área da coberta em relação à área total;

o alterando-se os valores da absortância de 0,30 para 0,70, há um aumento no

consumo de energia em torno de 10%;

Al-Sanea (2002) comparou o comportamento térmico de elementos de cobertura de construções empregando um modelo de volumes finitos para avaliar seis variações de uma estrutura típica de cobertura usada na construção de edificações na Arábia Saudita. Os resultados indicaram que a inclusão de uma camada de 5 cm de poliestireno reduz o calor transferido pela cobertura a 1/3 do seu valor em uma idêntica seção de cobertura sem isolamento. Usando o poliuretano, este valor é reduzido para menos de ¼. Um melhor desempenho térmico é conseguido pela localização desta camada de isolamento no lado interno da estrutura da cobertura, mas isto expõe a camada da membrana à prova d´água e a flutuações maiores na temperatura.

Lima (2006), em seu trabalho sobre o consumo energético no setor hoteleiro em Natal/RN, encontrou que na coberta deve-se utilizar a transmitância térmica baixa somente nas situações em que a envoltória vertical estiver bem protegida. Nos casos em que existem ganhos térmicos consideráveis pelas paredes e esquadrias, as coberturas leves com absortividade baixa e transmitância alta são as mais apropriadas para facilitar a perda de calor da edificação à noite. O autor demonstrou que o aumento da transmitância térmica é linearmente proporcional ao aumento do consumo de energia (Figura 2-1). A redução máxima do consumo de energia devido às mudanças nas propriedades da coberta foi de 18%, sendo que o consumo é menos influenciável para transmitâncias térmicas inferiores a 1,0 W/(m².K). Além disso, a influência da transmitância térmica foi menor nos meses de maio e junho.

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

Figura 2-1. Relação transmitância da coberta x consumo energético

Fonte: Lima (2006)

Lima (2006) também constatou um relação diretamente proporcional entre a absortância e o consumo de energia elétrica. A variação entre 0,2 e 0,70 resultou no aumento de 13% (Figura 2-1). Observou-se que o consumo reduziiu em até 6% se diminuída a transmitância da coberta. Isto se deve, principalmente, nos casos onde houve o uso do vidro com baixo desempenho (WWR 70%) e ausência de sombreamento nas aberturas de janelas. Este estudo concluiu que, para a cidade de Natal/RN, transmitância térmica e absortância da coberta influenciam o consumo de energia elétrica entre 10 e 20%.

Figura 2-1. Relação absortância da coberta x consumo energético

Fonte: Lima (2006)

Chang et al. (2008), em estudos realizados em Taiwan, analisaram a cobertura tipo sanduíche incorporando RBS. Coberturas tipo sanduíche são muito eficazes como caminho para reduzir condução e convecção da transferência de calor da cobertura para o teto da construção; enquanto que o RBS é muito efetivo em bloquear a radiação da transferência de calor entre a cobertura e o teto. Desenvolveu-se protótipos e quantificaram o efeito da incorporação do RBS na economia de energia, assim como o custo de material e o custo de instalação. Como resultado, tem-se que uma dupla estrutura de coberta formada por uma placa e um forro de alumínio com poliestireno, pode ter bom desempenho em barrar o calor

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

e é altamente recomendado para o clima analisado. É encontrada também relação entre inclinação da coberta e ganho de calor: quando o ângulo de inclinação da cobertura do protótipo aumenta, o calor transferido para o interior e o valor da transmitância diminuem e o comportamento do isolamento térmico melhora. A inclinação para coberturas tipo sanduíche variam de 0o _{(cobertura horizontal) a 30}o_{, resultando em diferenças de aproximadamente 40} a 53 W/m2 _{no fluxo de calor para o interior.}

Outra recurso para redução de carga térmica pela coberta é o uso de uma barreira radiante (RBS). É uma fina membrana de material com baixa emissividade (frequentemente menor que 0,1) e alta refletividade (frequentemente mais alta que 0,9). A localização do RBS pode influenciar, segundo Miranville et al. (2003). Os resultados mostraram que a localização do RBS acima da massa de isolamento térmico melhora a condição térmica do ambiente. Porém, esta posição está mais vulnerável a sujeiras e deterioração do material e do seu comportamento. Áticos com RBS são menos suscetíveis à deterioração em climas com média da umidade relativa do ar de até 50%.

Soubdhan et al. (2005) descreveram a influência das RBS na transferência de calor quando elas são integradas ao envelope de uma construção e comparam sua eficiência com material de isolamento térmico tradicional (como poliestireno expandido). Quatro modelos foram analisados: o primeiro com poliestireno; o segundo com barreira radiante; o terceiro com lã de vidro e o último com material sem isolamento, que foi considerado como referência. Diferentes testes foram realizados para avaliar a influência dos parâmetros como absortividade da coberta e camada de ar de ventilação na redução do fluxo de calor por meio da cobertura. A redução do fluxo de calor em relação à RBS foi 37% para uma cobertura metálica branca e 33% para a preta. Sem ventilação, a barreira radiante é comparável com o poliestireno e fibra de vidro. Quando o ático é ventilado a barreira radiante proporciona melhor isolamento.

Simioni et al. (2003) também conclui que o uso da RBS melhora o desempenho térmico da coberta e quando aplicada em uma face de espaço de ar, e que equivale a 2 cm de isolamento com poliestireno expandido. Comprovaram que o melhor lugar para o isolante é acima da laje de concreto, isolando-a para não acumular calor. Nesse caso, a opção por cores claras nas telhas é uma solução de baixo custo, devendo haver sempre a manutenção e limpeza das mesmas. Vittorino et al. (2003) mostram que a simples inserção de um forro com baixa emissividade nas suas duas faces, entre o telhado e o ambiente, reduz o fluxo de calor irradiado para o ambiente em 50%, em comparação com uma coberta sem forro. Entretanto constataram que a emissividade do material triplicou durante os sete meses, devido ao acumulo de poeira.

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A perda de propriedades superficiais também afeta a refletância. Bretz (1994) estudou os efeitos provocados pelo envelhecimento sobre 26 tipos de telhados, que, originalmente, apresentavam altas refletâncias. Concluiu que estes efeitos dependem do tipo de revestimento, de sua textura, da inclinação da cobertura e da proximidade de fontes de sujeira. A maior redução da refletância, em torno de 20%, ocorre no primeiro ano. Após o segundo ano, os decréscimos passam a ser pequenos, reduzindo entre 10 e 20% a economia originalmente estimada de energia pelo uso da alta refletância. A lavagem periódica das superfícies pintadas pode restabelecer entre 90 e 100% da refletância original.

A geometria da coberta também pode influenciar. Runsheng et al. (2003) analisaram a radiação térmica absorvida por coberturas curvas comparada com coberturas planas, em Israel, onde essas coberturas são muito usadas. Foram calculadas as insolações absorvidas por estas coberturas e comparadas com as absorvidas por coberturas planas, baseada na dependência angular da absortância e geometria solar, enfatizando que a absortância solar de uma superfície depende do ângulo de incidência dos raios solares e das suas propriedades. Os autores concluíram que coberturas curvas absorvem mais radiação total que seu correspondente em cobertura plana. Porém, o calor recebido permanece na área curva da cobertura, não sendo transferido para o interior da edificação. Destaca-se que cobertas inclinadas acumulam menos sujeita, mantendo por mais tempo as propriedades superficiais. Bretz (1994) estudou os efeitos provocados pelo envelhecimento sobre 26 tipos de telhados, que, originalmente, apresentavam altas refletâncias. Concluiu que estes efeitos dependem do tipo de revestimento, de sua textura, da inclinação da cobertura e da proximidade de fontes de sujeira. A maior redução da refletância, em torno de 20%, ocorre no primeiro ano. Após o segundo ano, os decréscimos passam a ser pequenos, reduzindo entre 10 e 20% a economia originalmente estimada de energia pelo uso da alta refletância. A lavagem periódica das superfícies pintadas pode restabelecer entre 90 e 100% da refletância original.

2.3

M

De acordo com Pedrini (1997), a avaliação do desempenho térmico e energético de cobertas pode ser feita por meio de medições de campo, experimentações, cálculos manuais e por meio de simulações computacionais. As simulações apresentam muitas vantagens em relação aos demais métodos. São mais flexíveis que medições “in loco”, trabalha-se com períodos anuais, o custo é baixo se comparado com as medições; os resultados são mais rápidos e se consegue testar um maior número de alternativas. Entretanto, simulações também possuem desvantagens em relação aos outros métodos:

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

podem apresentar incertezas decorrentes dos modelos físicos empregados no programa; da modelagem da edificação e das características do arquivo climático .

Os programas computacionais mais difundidos são o DOE e sua interfaces, como o

VisualDbE, e o EnergyPlus com sua interface DesignBuilder. O método mais comum de análise é a mudança de valor de apenas uma variável de um determinado caso base ou de referência, como empregado por Signor (1999), Pedrini (2003) e Oliveira (2006), que abordaram a influência da transmitância e da absortância em todos os elementos que compõem a envoltória da edificação.

Os modelos de simulação são abstrações formadas por uma grande quantidade de variáveis com o objetivo de reproduzir as características de uma determinada edificação (real ou fictícia) e seu comportamento frente a situações específicas (PEDRINI, 1997). Os principais aspectos que devem ser definidos na modelagem do caso base são:

• forma (desenho e tamanho do modelo);

• função (rotinas de uso);

• envoltória externa (alvenaria, cobertura, elementos de sombreamento, tipo de

vidro, etc);

• instalações (incluindo sistema de condicionamento térmico, energia, iluminação e equipamentos).

Os modelos são caracterizados por meio da declaração de variáveis que reproduzem as características do objeto estudado e do tipo de análise desejada (que implica em simplificações), assim como do entendimento do modelador (usuário do programa que modela o edifício). Como o processo é suscetível de inúmeras influências que podem comprometer a fidelidade dos resultados, é importante que o modelador disponha de recursos de calibração, como registros de uso, de consumo e de demanda de energia elétrica, de temperaturas de controle, dentre outros (PEDRINI, 1997). Durante a calibração do modelo, o pesquisador deve analisar o comportamento das diferenças mensais e tentar identificar as relações de ocorrência. No geral, os principais fatores que interferem na modelagem estão associados aos valores definidos automaticamente pelo programa, às limitações de modelagem e às incertezas dos dados de entrada (disponibilidade e confiabilidade) (PEDRINI, 2003).

Segundo Strachan apud Pedrini (2003) o número de incertezas na simulação paramétrica pode ser reduzido a partir de uma abordagem sensitiva que leve em conta cinco aspectos básicos:

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

• Realismo do modelo: em que nível de detalhamento o modelo representa a realidade? Ou seja, qual a diferença entre o desempenho real da edificação e aquele simulado;

• Parâmetros de entrada: verificar a confiabilidade dos dados e a atribuição correta de valores na falta de certas características;

• Processos: para qual limite as suposições feitas consideram os efeitos do clima futuro, ocupação e fatores operacionais na simulação?

• Capacidades do programa de simulação: quais incertezas estão associadas ao programa escolhido? Em alguns casos deve-se considerar o uso de ferramentas alternativas, mais apropriadas para etapas específicas;

• Variáveis do projeto: medir as conseqüências de cada mudança no projeto. Deve-se organizá-las a partir de alterações sucessivas na simulação paramétrica verificando a sensibilidade de cada variável.

As simulações computacionais foram usadas para a elaboração de algumas normas e diretrizes, como a publicação Especificações de Etiquetagem Voluntária – Procel/2008. Esta regulamentação cita pré-requisitos para aceitação de simulação computacional: o programa de simulação termo-energética deve possuir, no mínimo, as características de ser um programa para análise do consumo de energia em edifícios; ser validado pela ASHRAE Standard 140; modelar 8760 horas por ano; modelar variações horárias de ocupação, potência de iluminação e equipamentos e sistemas de condicionador de ar, definidos separadamente para cada dia da semana e feriados; modelar efeitos de inércia térmica; permitir a modelagem de multi-zonas térmicas; ter capacidade de simular as estratégias bioclimáticas adotadas no projeto; produzir relatórios horários de uso de energia. Quanto ao arquivo climático adotado na simulação, este deve fornecer valores horários para todos os parâmetros relevantes requeridos pelo programa de simulação, tais como temperatura e umidade, direção e velocidade do vento e radiação solar. O arquivo climático também deve ser representativo para a zona climática do projeto.

2.4

A

A relação custo-benefício (RCB) considera os custos e os benefícios totais de uma ou mais ações. Os valores de entrada são medidos em termos de custos de oportunidades, que corresponde ao valor em sua melhor alternativa de uso. O processo envolve valores monetários do custo inicial e de manutenção x retorno esperado (beneficio). Na prática, os analistas tentam estimar os custos e os benefícios usando métodos descritivos ou desenhando inferências do comportamento de mercado.

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Se um projeto tiver mais de um uso final (como iluminação, climatização, equipamentos, dentre outros) cada um desses usos finais deverá ter a sua RCB calculada individualmente. Deverá também ser apresentada a RCB global do projeto por meio da média ponderada das RCBs individuais. Os pesos serão definidos pela participação percentual da energia economizada em cada uso final. A avaliação econômica do projeto será feita por meio do cálculo da relação custo-benefício (RCB) de cada uso final.

De acordo com estudos realizados na San José State University – Departament of Economics, um dos problemas do RCB está em reunir os muitos itens de benefícios e custos intuitivamente, havendo outros em que a intuição pode falhar. Assim, sugerem-se métodos de medidas e alguns princípios básicos são mencionados como um guia:

• deve haver uma unidade comum de medida: os aspectos positivos e negativos de projeto devem ser expressos em termos de unidade comum, sendo a mais usada o dinheiro – isto significa que todos os benefícios e custos de projeto devem ser medidos em termos de seu valor equivalente em dinheiro;

• a época deve ser determinada, levando-se em consideração a inflação do período;

• o impacto de uma proposta é a diferença entre o que ela proporciona em relação a um caso de referência;

De acordo a metodologia proposta no Projeto 6 cidades, também utilizada no trabalho de Westphal (2002), deve-se:

• estimar o percentual de consumo para o condicionamento de ar, iluminação e demais equipamentos elétricos, com o consumo energético medido por meio de simulação computacional;

• montar um fluxo de caixa em planilha eletrônica, detalhando os custos de manutenção (gastos com reposição, limpeza, reparos do sistema e conta de energia elétrica do prédio);

• estimar o período de estudo (mínimo múltiplo comum) da vida média dos componentes do sistema;

• representar o fluxo de caixa em valores presentes de todas as capitalizações: por meio da taxa mínima de atratividade (TMA), custo de oportunidade ou taxa de desconto (aquela paga pelo mercado financeiro em investimentos correntes (poupança, por exemplo).

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As análises também podem ser feitas por meio do retorno (payback) simples (custo com implantação da medida/redução obtida na conta de energia) e do retorno corrigido, no período que considera a taxa de desconto na qual o investidor poderia ter aplicado o seu capital a juros e a diferença entre os custos de manutenção dos sistemas.

A forma mais freqüente de análise é a anualização dos custos, frequentemente adotada pelas concessionárias de energia e pela Eletrobrás em seu Programa de Eficiência Energética em Edificações, que consiste em:

s anualizado benefícios

s anualizado custos

RCB= (1)

onde os custos anualizados são calculados por camadas de materiais dos sistemas de coberta:

CATOTAL = ∑ CAequip1+ CAequip2+....+ CAequip n (2)

sendo:

CAequip n: custo anualizado por camada de material com mesma vida útil, obtidos por meio de:

CAequip n = CPEequip n x FRC (3)

CPEequip n: custo das camadas de material com a mesma vida útil, acrescido da parcela correspondente aos outros custos diretos e indiretos. Esta parcela é proporcional ao percentual do custo da camada de material em relação ao custo total com materiais, obtido por:

(

)













−

+

=

CTE

CE

x

CTE

CT

CE

CPE

(4)

FRC: fator de recuperação de capital, obtido por:

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

( )

( )

1

1

1

−

+

+

=

i

i

i

FRC

(5)

onde:

CEequipn : custo somente de camada de material com mesma vida útil

CT : custo total do projeto (custos diretos + custos indiretos)

CTE : custo total somente das camadas de materiais

n : vida útil (em anos)

i : taxa de juros (taxa de desconto)

Para os benefícios, tem-se:

B = (EE ×CEE) + (RDP ×CED) (6)

onde:

EE - Energia Economizada (MWh/ano)

CEE - Custo Evitado de Energia (R$/MWh)

RDP - Redução de Demanda na Ponta (kW)

CED - Custo Evitado de Demanda (R$/kW)

2.5

N

D

D

Há normas e diretrizes que podem ser teoricamente aplicadas ao projeto de edificações em Natal. As limitações e potenciais ainda precisam ser testadas. Segundo Hui (2003), a existência de normas para redução de consumo energético e controle de propriedades da envoltória permite um controle maior sobre o projeto do edifício, e estimula as decisões voltadas para o melhoramento da sua eficiência e operação. Entretanto, algumas destas prescrições não apresentam concordância com as condições climáticas e realidade construtiva locais, sendo incompatíveis com a prática projetual.

As normas de análises podem ser prescritivas ou comparativas. As prescritivas são as que estão associadas com as recomendações, como transmitância térmica e absortância; sendo que, para o clima quente e úmido, as principais normas que possuem recomendações são a ASHRAE 90.1 e NBR-15220, caracterizando também os sistemas

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construtivos. A norma 90.1 apresenta exigências mínimas de eficiência para o projeto e construção de edificações e sistemas. Sua aplicação é recomendada para edifícios não residenciais climatizados artificialmente. O documento fornece valores mínimos ou máximos referentes não somente à envoltória, mas aos sistemas de climatização e iluminação do edifício.

Já a NBR-15220 apresenta “(...) recomendações quanto ao desempenho térmico de habitações unifamiliares, de interesse social aplicáveis na fase de projeto.” Conforme Lamberts (1999), a proposta consta de:

1. Classificação do clima por meio da aplicação de uma adaptação da carta de Givoni;

2. Identificação de zonas bioclimáticas;

3. Elaboração de recomendações construtivas para cada zona;

Estas duas normas prescritivas foram selecionadas dentro do material pesquisado, por serem as mais significativas e relevantes em nível mundial e nacional, respectivamente. Todavia, a comparação entre os dois documentos é impossibilitada pela divergência de propósitos: enquanto que a ASHRAE (2004b) é destinada a edifícios não-residenciais e climatizados artificialmente, a NBR-15220 se detém às habitações de interesse social.

Outra norma prescritiva relevante ao é a NBR-6401 - norma que estabelece as bases para a elaboração de projetos de instalações de unidades com capacidade individual a partir de 9000 Kcal/h (unidade descrita na norma), tendo sido regulamentada em 1980.

As normas comparativas são empregadas na classificação do desempenho energético das edificações, como o sistema australiano “Greenhouse Rating Scheme Methodology” (BANNISTER, 1999) e, no Brasil, a Regulamentação para etiquetagem voluntária de nível de eficiência energética de edificios comerciais, de serviços e públicos (ELETROBRÁS/PROCEL-2008).

2.5.1 ASHRAE (2004b): 90.1 2004

Dentre as normas internacionais, a 90.1 da ASHRAE é pioneira e provavelmente a mais conhecida internacionalmente. Sua primeira edição é de 1975, seguida por revisões em 1980, 1989, 1999 e 2004. A norma apresenta exigências mínimas de eficiência para o projeto e construção de edificações e sistemas. Ela contempla edifícios não residenciais climatizados artificialmente e limita as características de envoltória para um nível mínimo de aceitação, assim como para os sistemas de climatização e iluminação da edificação.

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

Todas as recomendações referentes às propriedades da envoltória na norma estão associadas a oito zonas climáticas norte-americanas, conforme a Figura 2-6. A norma extrapola suas recomendações para outros países baseando-se no zoneamento climático americano. No entanto, percebe-se que a relação entre as zonas climáticas da norma e o clima dos demais países por elas representados parece generalista, tornando sua aplicação questionável. Os climas do Brasil, por exemplo, são representados apenas pelas zonas 1 (Belém, Fortaleza, Recife, Salvador e Rio de Janeiro) e 2 (Brasília, Porto Alegre e São Paulo). Embora a cidade de Natal não seja mencionada na norma, as recomendações da zona 1 também podem ser estendidas a ela.

Figura 2-2. Mapa de zoneamento climático proposto para os Estados Unidos

Fonte: Ashrae (2004).

As prescrições da norma são realizadas por meio de índices pouco familiares ao arquiteto, muitos deles desconsiderados no processo projetual local. Não há descrições de sistemas construtivos ou qualquer outro tipo de referência familiar ao projetista local. A envoltória é tratada por meio de um conjunto de 8 tabelas (uma para cada zona bioclimática) que estabelecem valores máximos de transmitância térmica (U), e de resistência térmica (R) para superfícies opacas (cobertas, paredes, pisos e portas) e translúcidas (vertical e horizontal).

As recomendações de transmitâncias térmicas de coberta para climas similares ao de Natal são entre 0,192 e 0,360 W/m²K para todas as edificações comerciais, e a absortância máxima é 35%.

Apesar das limitações da Standard 90.1, a norma tem servido de base para alguns códigos e recomendações internacionais e agora nacionais.

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

Guia avançado de projeto para o uso eficiente de energia em pequenos escritórios (Advanced Energy Design Guide for Small bffice Buildings), ASHRAE (2004a)

Trata-se de um guia voltado para o projeto com base na norma 90.1, cujo objetivo é a redução de consumo de até 30% em relação ao prescrito pela 90.1. O guia apresenta limitações similares, como o mesmo tipo de zona climática, o fator de projeção de proteções solares, a valorização do isolamento térmico, e a pouca relação com a realidade construtiva brasileira quanto aos valores das transmitâncias térmicas dos materiais.

O guia apresenta recomendações que compreendem desde a seleção da equipe (pré-projeto) até o uso do edifício (operação), contendo tabelas com índices normativos por meio de prescrições relacionadas de acordo com as zonas climáticas também constantes na ASHRAE (2004b). Percebe-se que a (ASHRAE, 2004a) é mais voltada ao projetista e suas prescrições consideram o processo de projeto, cujo produto final é o edifício.

NBR-15220-3: Zoneamento Bioclimático Brasileiro e Diretrizes construtivas para Habitações Unifamiliares de interesse social

A NBR-15220-3 apresenta “(...) recomendações quanto ao desempenho térmico de habitações unifamiliares de interesse social aplicáveis na fase de projeto”. Esta norma classifica o clima das diversas regiões do país por meio da aplicação de uma adaptação da carta de Givoni; subdivide o Brasil em 8 zonas bioclimáticas, elaborando recomendações construtivas para cada zona. A zona 8 corresponde à cidade de Natal e ocupa 53% do território nacional, conforme a figura 2-6.

Figura 2-3. Mapa de zoneamento climático brasileiro

Fonte: NBR-15220-3

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

As prescrições para Natal consiste de cobertas leves e refletoras, transmitância térmica inferior a 2,30 W/m²K para áticos não ventilados, atraso térmico inferior ou igual a 3,3 horas e fator de calor solar inferior a 6,5% (Tabela 2-4). Como o atraso térmico é considerado baixo, o desempenho está condicionado à transmitância e à absortância térmica.

Tabela 2-4. Transmitância térmica, atraso térmico e fator de calor solar admissíveis para cada

tipo de coberta

Vedações externas Transmitância

Térmica - U

Atraso Térmico -

ϕ Fator de Calor Solar - FCS

W/m2_{.K Horas %}

cobertas Leve refletora U ≤ 2,30 ϕ≤ 3,3 FCS ≤ 6,5

Fonte: NBR-15220

Por comparação, uma coberta de fibrocimento com forro de concreto apresenta U=

2,25 W/m2_{.K e} ϕ _{= 2,6h e uma coberta de telha de barro com 5 cm de lã de vidro sobre forro}

de madeira apresenta U= 0,62 W/m2_{.K e} ϕ _{= 3,1h (VENÂNCIO, 2007).}

As prescrições para fechamentos opacos são vinculadas a sistemas construtivos usuais, dentre os quais o projetista pode escolher aquele que mais corresponde às necessidades do projeto. Sob esse aspecto, a norma brasileira é de fácil entendimento, além de ser bem ilustrada.

NBR-6401 – Instalações centrais de condicionador de ar para conforto – Parâmetros básicos de projeto

A NBR-6401 é a norma que estabelece as bases fundamentais para a elaboração de projetos de instalações de unidades com capacidade individual a partir de 9000 Kcal/h, tendo sido regulamentada em 1980. As condições estabelecidas nesta norma são as de aprovação de projetos, com base em recomendações ASHRAE da década de 70. Destacam-se.

o condições internas para verão e inverno;

o _{quantidade de ar exterior para renovação;}

o valores para ocupação dos recintos;

o _{energia dissipada pelas luminárias, classificando por nível de iluminação,}

local e tipo de luminária utilizada;

o calor liberado por pessoas.

Revisão Bibliográfica ______________________________________________________________

Regulamentação para etiquetagem voluntária de nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos (ELETROBRÁS/Procel 2008)

A regulamentação foi elaborado pelo Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da UFRN, no âmbito do programa Procel EDIFICA. Ela apresenta os requisitos técnicos necessários para a classificação do nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos, visando a etiquetagem voluntária, com foco na eficiência energética para edificações comerciais e públicas.

Esta regulamentação inclui três requisitos principais: eficiência e potência instalada do sistema de iluminação, eficiência do sistema de condicionamento do ar e o desempenho térmico da envoltória do edifício. Este regulamento aplica-se para edifícios com área total útil mínima de 500m² e/ou com tensão de abastecimento superior ou igual a 2,3KV (subgrupos A1, A2, A3, A3a e A4), incluindo edifícios condicionados, parcialmente condicionados e naturalmente ventilados. São atribuídos pesos para os três itens citados acima (sistema de iluminação = 30%; sistema de condicionamento de ar = 40%; envoltória = 30%). Os níveis de eficiência variam de A (mais eficiente) a D (menos eficiente).

Quanto às recomendações, para a coberta para atingir a classificação máxima (nível A), são obrigatórios os seguintes pré-requisitos para a zona bioclimática de Natal:

o em coberturas não aparentes, utilização de cor de absortância solar baixa,

inferior a 0,4, telhas cerâmicas não esmaltadas ou teto jardim;

o _{transmitância térmica da coberta inferior a 2,00 W/(m².K) , para ambientes}

não condicionados; e inferior a 1,00 W/(m².K) para ambientes condicionados;

Para se obter o nível B, permanecem todos os pré-requisitos acima, apenas modificando o limite para transmitância da coberta para ambientes condicionados, que não deve ultrapassar 1,5 W/(m².K);

Para se obter o nível C e D, a transmitância térmica da coberta, seja para ambientes condicionados artificialmente ou não, não deve ultrapassar 2,00 W/(m².K).

Metodologia _________________________________________________________________

3

METODOLOGIA

O método de avaliação do custo-benefício de sistemas de coberta consiste de seis etapas:

1. Caracterização e simulação da edificação de referência. Esta etapa consiste inicialmente em identificar um modelo de edificação representativa para o tipo escolhido, a exemplo de Signor (1999). Este é modelado no programa computacional

DesignBuilder e seu desempenho é adotado como referência de comparação para as modificações dos tipos de cobertas.

2. Análise de sensitividade. Consiste de variações do caso de referência que combinam diversas transmitâncias e absortâncias de sistemas de coberta. Os resultados são usados para auxiliar a seleção de sistemas de cobertas e para auxiliar as análises de resultados das alternativas de coberta e confirmar tendências apontadas por Bretz (1997), Simpson (1997), Venâncio (2007), dentre outros.

3. Levantamento, caracterização e simulação de alternativas de sistemas construtivos de cobertas. Essa etapa faz uso de informações obtidas em referências bibliográficas e consulta ao mercado da construção civil para reproduzir as características dos sistemas construtivos e simular seus impactos no consumo de energia elétrica na edificação.

4. Quantificação dos custos de implantação. Calculam-se os custos dos materiais utilizados em sistemas de cobertas, tomando-se como base os estudos de Chang (2008) e Levinson (2005).

5. Quantificação dos benefícios das alternativas em relação ao caso base. Os benefícios das alternativas de cobertas são quantificados por meio da redução do consumo de energia elétrica usada no resfriamento do ar interno, assim como na diferença de dimensionamento dos condicionadores de ar.

6. Análise custo-benefício. Calcula-se a razão entre o custo e o beneficio.

Metodologia _________________________________________________________________

3.1

S

O programa Designbuilder foi selecionado para simular o consumo energético e capacidade de resfriamento dos condicionadores de ar. Trata-se de uma interface gráfica com recursos mais intuitivos, que executa o algoritmo de cálculo do EnergyPlus

(DESIGNBUILDER, 2005). Esta combinação proporciona confiabilidade dos resultados, rapidez e fidelidade de modelagem. Há vários usuários locais, uma biblioteca nacional de materiais construtivos, e arquivos climáticos horários brasileiros, incluindo Natal.

3.2

C

A caracterização da edificação denominada de caso base iniciou-se com a pesquisa de campo e levantamento fotográfico, onde se procurou uma tipologia representativa na construção civil dos últimos 5 anos e que atendesse à horizontalidade construtiva em ambientes comerciais e climatizados artificialmente. Estas características adotadas no caso base se justificam pelo crescente uso em Natal (Figura 3-4), cujo sistema de coberta pode ter significativa influência no desempenho energético (horizontalidade). As causas desta tendência construtiva na cidade decorrem da facilidade de execução; da flexibilidade para uso e adaptação para diversos setores; da redução do custo e do tempo de execução quando comparado aos outros sistemas construtivos.

Foram realizadas entrevistas informais e observações “in loco” para se obter o sistema de coberta mais usual nestas edificações, assim como as suas características construtivas internas (piso, parede, disposição dos ambientes, dentre outras). O tipo de aparelhos de sistemas de refrigeração mais utilizado nestas edificações também foi determinado por meio de entrevistas a vendedores destas lojas e observações gerais ao longo da pesquisa.

O levantamento fotográfico (Figura 3-4 e Figura 3-5) ilustra as características externas comuns às construções pesquisadas. Após esta constatação em campo da tendência tipológica de um modelo de pequenos centros comerciais horizontalizados, criou-se um modelo hipotético onde adotou-criou-se as características construtivas encontradas na maioria destes estabelecimentos comerciais:

o fachadas principais envidraçadas;

o pé direito duplo na área de vendas e atendimento;

o _{paredes externas pintadas com cores claras;}

Metodologia _________________________________________________________________

o lojas geminadas;

o _{cobertas sem beiral frontal, com platibanda;}

o existência de mezanino na parte posterior da edificação;

o climatização artificial;

o _{presença de ático não ventilado.}

Av. Sen. Salgado Filho R. João Damasceno

Av. Hermes da Fonseca Av. Afonso Dena

Av. Rui Barbosa Av. Sen. Salgado Filho

Figura 3-4. Fotos de edificações do tipo escolhido na cidade de Natal/RN.